Как подключить фотодиод к оу: Как подключить фотодиод к stm32f4 через АЦП? — Хабр Q&A

Устройство слежения за движущимся источником света / Хабр

Сегодня я решил написать об одном интересном проекте, которым занимался в свободное от учебы время.

Суть устройства проста — есть матрица фотодиодов (в данном случае 4, но можно и больше) которая регистрирует свет от какого-то источника, который может перемещаться. Естественно, количество света, падающее на каждый фотодиод в отдельности различно.

Устройство должно определять расположение в пространстве источника света, который перемещается.Это основная цель. То есть необходимо программно решать задачу многомерной корреляции между вектором интенсивностей и вектором местоположения источника света.

Общая схема показана на рисунке выше. В нашем случае всего 4 фотодиода. Сигнал с фотодиодов усиливается и поступает в микроконтроллер ATMega16. Микроконтроллер формирует пакет с данными и отправляет его с частотой 1 Гц по USART(COM порт). Со стороны компьютера работает программа, написанная на Lazarus (FreePascal), которая считывает с порта данные, и проводит анализ с помощью свободной нейросетевой библиотеки, затем выдает результат о местоположении источника света.

Это было краткое описание, а теперь детали.

1) Подключение фотодиодов

Здесь приведена простая схема подключения фотодиода к операционному усилителю, схема конвертера малого тока в напряжение, можно найти в любой книге по схемотехнике.

Падающий свет вызывает фототок, схема линейна (до насыщения), в отличии от схемы со смещением. Ток почти не течет в инвертирующий вход, и поэтому напряжение на выходе определяется как U=I*R1.

Очень хорошая статья про фотодиоды и усилители написана сотрудником Texas Instruments Philip C. D. HOBBS«Усилители для фотодиодов на операционных усилителях». Рекомендую всем заинтересованным.

Мной использовались высокоскоростные PIN фотодиоды, BPW34. У них не очень большой угол обзора — что было под рукой, то и использовал. Здесь подойдут почти любые фотодиоды, дело вкуса.

Красной строки требует операционный усилитель AD820. Усилитель на полевых транзисторах (FET) обладает преимуществом перед биполярными низким током утечки, поэтому в схемах-конвертерах ток-напряжение это очень важно. Также усилитель имеет Rail-to-Rail выход, то есть размах выходного напряжение может приближаться очень близко в шинам питания.

Рекомендую использовать после выхода усилителя ФНЧ (фильтр низких частот), и выбрать нужную частоту среза, чтобы было меньше шума.

2) Микроконтроллер ATMEGA16

Как я уже писал выше микроконтроллер нужен для того, чтобы оцифровывать сигналы и передавать их в порт ПК.

Здесь используется древнейший MAX232ACPE конвертер для COM порта. Сейчас я пользуюсь контроллерами с аппаратным USB, но год назад, мне схема с MAX232 казалась ну очень крутой, и я сильно радовался, когда, наконец, разобрался с ней.

Тем, у кого нет платы с COM портами придется либо собрать самому на FT232RL или купить конвертер USB-USART, которых сейчас навалом в интернетах.

Первым делом нужно организовать стабильное питание для микроконтроллера (МК). По питанию нужно всегда ставить как можно ближе к ножкам МК керамический конденсатор емкостью 0,1 uF. На рисунке между VCC и GND.

Затем нужно позаботится о тактовом сигнале.

Здесь стоит кварцевый резонатор на 8MHz (поверьте, когда я начинал, тоже думал что это так мало). Для увеличения стабильности ставят как показано на схеме пикофарадные конденсаторы. Для каждой частоты нужен свой номинал, подробности нужно смотреть в даташите (datasheet), официальном паспорте-документации на каждую ИС (интегральную схему).

Для того, чтобы МК работал без случайных сбросов, необходимо подключить через подтягивающий резистор Vcc к RESET.

Аналоговые входы PA0..7 являются портами, куда мы подаем сигналы с усилителей.

В качестве опорного напряжения для АЦП возьмем Vcc, вот так совсем не хитро.

Порты RX, TX служат для отправки и получения данных.

TTL логика и логика RS232 сильно различаются, и не могут работать напрямую, поэтому мы используем конвертер, схема подключения показана слева. Все конденсаторы, приведенные в схеме подключения конвертера керамические, и имеют номинал 0. 1 uF.

3) Среда разработки и используемые библиотеки

Этот проект я делал на Lazarus IDE, компилятор FreePascal, в процессе написания мной было использовано несколько компонентов и библиотек.

• Библиотека для работы с COM-портом CportLib
• Известная библиотека FANN

Для работы с нейросетями я выбрал свободную библиотеку FANN. Думаю, что большинство знают как работают нейросетевые алгоритмы, но на всякий случай повторюсь на моем примере.

Здесь нейросеть должна вначале обучиться с учителем.

Смысл обучения состоит в том, что сеть должна подстраивать коэффициенты матриц слоев таким образом, чтобы минимизировать разницу между выходным вектором и обучающим вектором.

Каждая задача уникальна в каком-то смысле, и поэтому нет теории, которая бы говорила какого количества нейронов достаточно, чтобы решиться задачу, какую передаточную функцию следует использовать и так далее.

На этом все,

в следующий раз, как найду время — напишу продолжение в котором будут освящены такие части как:

• Получение данных от МК
• Обучение нейросети
• Анализ данных с помощью нейросети

Следующая часть будет полностью программной.

Усилитель для фотодиода с расширенным частотным диапазоном.

Миниобзор простой схемы в продолжение недавнего обзора.

Эксперимент выходного дня.

В ленте обсуждения прозвучало: Не удавалось добиться точности на килогерцовых частотах.

Пришлось поднять архивные записи…

Схема:

C1, C2 — керамика 2,2 мкФ

Фотодиод VD — фд256, фд26к (или аналогичный)

Вместо опоры TL431 можно использовать светодиод (желтый или зелёный).

ОУ D1 — TS931 (это в идеале)

поскольку 931 в наличии не было (был только сдвоенный 932), пришлось использовать ОУ, который был запаян на платке — LF355N

ближайший отечественный аналог — к544уд1, к544уд2 (замкнуть 1-8)

Питание схемы было задумано от USB +5В, но до проверки дело не дошло.

Схема, которая на фото, была запитана от аудиофильского БП аккумулятора 7,4В

Важно: для ОУ ts931 питание не более 10В (это низковольтный ОУ).

Схему рекомендуется питать от кислотных SLA аккумуляторов 6 В, 12 В, аккумуляторов фото-видеокамер 6,8..8,4В, «Кроны» 9В, Li-Ion аккумуляторов и т.д.

Для желающих повторить схему: в качестве пульсирующего эталона для настройки\проверки рекомендуется использовать эконом-лампу.

Или лампу накаливания в крайнем случае (с ней надо быть внимательным, чтобы не получить клиппинг сигнала из-за очень сильной ИК составляющей).

Сигнал с фотодиода (даже с учетом усиления схемы) очень слабый, поэтому используется микрофонный вход ЗК компьютера.

Важный момент в при проверке схемы — шумовая полоса.

Проверяется при закрытом (черной крышкой) фотоприёмнике.

При этом шумовая полоса не должна содержать периодических\повторяющихся импульсов.

Схема проверялась с ноутбуком (как при питании от сетевого адаптера и от аккумулятора).

Со стационарным компом возможны сюрпризы.

Платка в сборе:

Внешний вид устройства:

Испытание схемы (экономка Luxel 20W standart spiral 6400K):

Исходная «осциллограмма» (в звуковом редакторе):

После нормализации (по уровню -3dB ):

Спектр сигнала (стрелками показаны максимумы):

Растянуто по оси времени (пульсации во всей красе):

Растянуто по оси времени до 1мс (SoundForge4. 5 более не умеет растягивать, более новые растягивают вплоть до точек 1/Fдискр. ):

Q: Как вычислить коэффициент пульсаций по этим графикам?

A: Только по графикам — никак. К схеме надо добавить милливольтметр переменного тока и(или) вольтметр постоянного тока (потребуется замкнуть C2).

Или использовать осциллограф.

Выводы:

— схема пригодна, чтобы посмотреть спектр и форму пульсаций различных бытовых источников света

— схема пригодна для применения с современными компьютерными мониторами (проверено)

— диапазон частот ограничен сверху только типом фотодиода и быстродействием операционного усилителя

Всем удачных экспериментов. Берегите зрение!

Как подключить ИК-фотодиодный датчик к цепи

Вы здесь: Главная / Инфракрасный (ИК) / Как подключить ИК-фотодиодный датчик к цепи

В этом посте мы научимся правильно подключать ИК-фотодиод в схемах типа цепи датчика приближения. Объяснение представлено в виде дискуссии между одним из преданных читателей этого блога NVD и мной.

Вот обсуждение, объясняющее, как подключить фотодиод к электронной схеме.

Проверка подключения ИК-фотодиода в цепи

Вопрос : Скажите, пожалуйста, работает ли следующая схема? Я думаю, что выход IC составляет 5 В. Я хочу, чтобы выход был подключен к 12-вольтовому реле вместо зуммера.. не могли бы вы сказать, какие изменения я должен внести в схему? (-) — катод фотодиода. Другими словами, контакт, связанный с более широкой пластиной внутри фотодиода, будет катодом, а контакт, связанный с более тонкой пластиной внутри фотодиода, будет анодом 9.0003

• если он настроен правильно, то он должен работать. Однако приведенная выше диаграмма имеет много ошибок и никогда не будет работать. Конфигурация ИК-фотодиода с операционным усилителем потребует некоторых изменений.
• Для настройки реле вы можете использовать BC547/релейный каскад на выходе операционного усилителя, базовый резистор холодный 10K
• Подробную информацию о каскаде драйвера реле вы можете найти в следующей статье: https:/ /www. homemade-circuits.com/2012/01/how-to-make-relay-driver-stage-in.html

Вопрос:

хорошо, есть ли положительные и отрицательные клеммы для ИК-приемника и передатчика, такие как светодиод. Я новичок в этом, поэтому спрашиваю

Полярность для ИК-фотодиодов в передатчиках

• , как и любой другой диод, ИК-фотодиоды также имеют полярность и должны быть подключены соответствующим образом.

Вопрос:

В схеме фотодиод подключен прямым смещением. это неправильно? Пожалуйста, проверьте, сэр.

Принципиальная схема

Полярность ИК-фотодиода для приемника

• Полярность ИК-фотодиода передатчика правильная… Неправильная полярность приемника , необходимо инвертировать для приемника, как показано ниже.

Вопрос:

Сэр, во-первых, я забыл подключить контакт 3 микросхемы к резистору приемника, затем я подал питание 12 В, поэтому светодиод загорается только. После этого я подключил контакт 3 к резистору и дал 9В. Теперь светодиод загорается, когда я поворачиваю переменный резистор в одну сторону. Светодиод не загорается, когда впереди находится препятствие.

Может ли сгореть ИК-фотодиод

Я все правильно подключил, но он не работает, есть ли вероятность того, что микросхема или фотодиод сгорят при подключении к источнику питания 12 В. Есть ли у вас схема для ИК-датчика приближения.

Пожалуйста, помогите мне, сэр.

Ответ

• Фотодиод никогда не сгорит, если он соединен последовательно с резистором.

Так почему фотодиод приемника не отвечает

Ответ:

На схеме выше фотодиод, подключенный к операционному усилителю, никогда не сможет запустить операционный усилитель в ответ на полученный инфракрасный сигнал. Почему??

Правильный способ подключения фотодиода к операционному усилителю

Напряжение, генерируемое фотодиодом приемника в ответ на сигналы фотодиода передатчика, вряд ли будет милливольт , может быть всего пара милливольт.

Хотя операционные усилители могут быть чувствительными к обнаружению даже до нескольких милливольт, резистор 10K между контактом № 3 и землей мгновенно аннулирует крошечный милливольтный сигнал, что делает невозможным его обнаружение операционным усилителем.

Таким образом, мы можем предположить, что именно резистор 10K отвечает за то, что операционный усилитель не может обнаружить выходной сигнал фотодиодов.

На следующей диаграмме показано, как правильно подключить фотодиод к операционному усилителю, чтобы он эффективно реагировал на сигналы от любого источника передатчика ИК-фотодиода: операционного усилителя заменен конденсатором низкой емкости, и теперь это позволяет операционному усилителю реагировать на сигналы, генерируемые фотодиодами Rx, Tx.

На самом деле операционный усилитель по-прежнему будет реагировать без конденсатора, однако никогда не рекомендуется оставлять входы операционного усилителя плавающими, пока на него подается питание, поэтому заземленный конденсатор гарантирует, что соответствующий вход операционного усилителя никогда не останется плавающим и подверженным паразитные сигналы.

Вы можете подумать, что конденсатор можно заменить резистором с высоким значением, порядка многих мегаом, извините, это тоже может не помочь, это снова запретит операционному усилителю воспринимать сигналы от фотодиода и, в конечном итоге, низкое сопротивление. значение конденсатора является правильным выбором.

Подключение фотодиода для активации реле

Показанный выше фотодиодный детектор на основе операционных усилителей может быть дополнительно модернизирован для запуска релейной ступени путем интеграции каскада драйвера реле, как показано на следующей схеме:

Отзыв г-на Нормана Келли (один из заядлых читателей этого блога):

Привет, Свагатам,

Я искал схему, чтобы предупредить меня, когда кто-то входит в мой двор и переднюю палубу.

Доставщики оставляют вещи на передней палубе и не звонят в дверной звонок, поэтому я не знаю, что мои посылки на палубе. Также ночью я хотел бы знать, не входит ли кто-нибудь в мой двор.

Я разработал схему с ИК-датчиком и беспроводным TX/RX для воспроизведения сообщения в моем доме. Все работает, но много ложных срабатываний, и это сводит мою жену с ума.

Я предполагаю, что РЧ-сигналы запускают PIR. Я попытался разделить их на несколько дюймов, и это помогло, но недостаточно. Итак, я решил посмотреть в ИК-диапазоне, чтобы обнаружить человека, открывающего ворота во двор, а затем передающего по беспроводной сети этот триггер. Я хотел сделать ИК-луч, но для этого нужно больше компонентов, которых у меня сейчас нет.

Итак, я решил, что инфракрасный датчик приближения будет работать, если я помещу датчик у ворот и поставлю на ворота отражатель, который будет отражать инфракрасный свет, когда ворота открыты.

Я видел вашу вышеприведенную схему «Как подключить ИК фотодиодный датчик».

Я подключил схему, и она работает нормально. Единственная проблема в том, что он потребляет 50 мА в режиме ожидания и 70 мА в активном режиме.

Выносной монтаж с питанием от батареи, по-видимому, невозможен, если нет способа снизить требования к питанию или мне придется подавать на устройство низкое напряжение.

Есть предложения или комментарии? Спасибо за вашу помощь!
Norman Kelley

Мой ответ:

Привет Норман,

Высокое потребление может быть просто из-за неправильных значений резисторов светодиода, попробуйте использовать 1K для светодиода передатчика, а также для светодиода индикатора, общее потребление должно снизиться до около 6 мА

О компании Swagatam

Я инженер-электронщик (dipIETE), любитель, изобретатель, разработчик схем/печатных плат, производитель. Я также являюсь основателем веб-сайта: https://www.homemade-circuits.com/, где я люблю делиться своими инновационными схемами и учебными пособиями.
Если у вас есть какие-либо вопросы, связанные со схемой, вы можете ответить через комментарии, я буду очень рад помочь!

Взаимодействие с читателем

Семь шагов к успешному преобразованию сигнала сверхнизкой освещенности

к
Реза Могими

Скачать PDF

Фотодиод остается основным выбором для фотодетектирования среди твердотельных детекторов (рис. 1). Он широко используется в оптической связи и медицинской диагностике. Другие приложения включают измерение цвета, обработку информации, штрих-коды, управление экспозицией камеры, обнаружение границ электронного луча, факсы, лазерное выравнивание, средства посадки самолетов и наведение ракет.

<img src=’https://www.analog.com/-/media /analog/en/landing-pages/technical-articles/семь шагов к успешному преобразованию сигнала сверхнизкой освещенности/figure1.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 1’& ;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;gt;

Рис. 1. Эквивалентная схема фотодиода

Энергия, передаваемая светом на один из этих датчиков, генерирует ток, который затем обрабатывается с помощью высокоточного предусилителя. Аналого-цифровое преобразование и цифровая обработка сигналов составляют остальную часть полной цепочки сигналов. Процесс выбора датчика и проектирования аналогового интерфейса можно сократить до семи шагов:

1. Опишите измеряемый сигнал и цели разработки.
2. Выберите правильный датчик и опишите его электрический выход.
3. Определите максимальное усиление, которое вы можете получить.
4. Определите оптимальный усилитель для каскада предусилителя.
5. Разработайте полный датчик и блок усиления предусилителя.
6. Запустить симуляцию.
7. Соблюдайте особую осторожность при сборке оборудования и проверке.

Шаг 1: Сигналы и цели

Исходя из эквивалентной схемы на рис. 1, выходной ток определяется как:

Чтобы преобразовать свет в электрический сигнал для дальнейшей обработки, необходимо знать характеристики переменного и постоянного тока источника света, величину его сигнала, желаемое разрешение измерения и доступные источники питания в системе. Знание величины характеристики сигнала и уровня шума дает подсказки относительно того, как выбрать датчик, какое усиление необходимо в нашем блоке усиления и какой диапазон входного напряжения и уровни шума могут потребоваться при выборе аналого-цифрового преобразователя ( АЦП).

Предположим, что у нас есть источник света, излучающий световые импульсы с частотой 1 кГц мощностью от 50 пВт до 250 нВт (0,006 люкс) при комнатной температуре. Это очень малое количество света, требующее очень точной цепочки формирования и обработки сигнала. Цель состоит в том, чтобы захватить и обработать этот сигнал с 16-битным разрешением и точностью. Достижение такого разрешения подразумевает необходимость измерения с точностью до 3,8 пВт.

Кроме того, предположим, что в системе имеются источники питания +12 В и –12 В. Обладая этой информацией, разработчик должен быть в состоянии рассчитать отношение сигнал/шум (SNR) и спроектировать схему.

Шаг 2: Выбор датчика

Фотодиоды

обычно оптимизируются в процессе проектирования для использования либо в «фотогальваническом», либо в «фотопроводящем» режиме. Чувствительность, представляющая собой отношение выходного сигнала детектора к входному сигналу детектора, является ключевым параметром фотодиода. Она выражается в единицах ампер/ватт или вольт/ватт.

Фотодиоды большой площади из арсенида индия-галлия (InGaAs), которые используются в приборостроении и датчиках, имеют лучшую чувствительность в диапазоне от 600 нм до 800 нм, чем быстродействующие фотодиоды, которые используются для высокоскоростных аналоговых и цифровых систем связи, контрольно-измерительных приборов. и сенсорные приложения.

В отсутствие света подача напряжения на короткозамкнутый фотодиод вызывает протекание тока I _S . Подсветка диода вызывает встречный ток I _light , пропорциональный силе света. Суммарный ток, I _SC , составляет:

В уравнении 2 второй и третий члены ограничивают линейность I _SC , но становятся незначительными в довольно широком диапазоне. С практической точки зрения I _SC чрезвычайно линейна по отношению к уровню падающего света и может быть аппроксимирована следующим образом:

Чтобы обнаружить небольшое количество света, разработчик должен указать фотодиод с большой площадью, в котором минимально ожидаемый излучаемый свет, умноженный на чувствительность, генерирует ток, превышающий темновой ток фотодиода. Это приведет к тому, что сигнал будет выше уровня собственных шумов фотодиодного датчика. Для кремниевого фотодиода с длиной волны света более 1100 нм чувствительность обычно составляет менее 0,7 А/Вт. Для этого примера была выбрана таблица 1 в Hamamatsu S1336.

Ожидаемый ток фотодиода можно рассчитать на основе ожидаемой оптической мощности источника света в:

Если источник света тратит всю свою энергию на активную площадь выбранного фотодиода, то уравнение 4 является единственным необходимым расчетом. Чтобы получить 16-битное преобразование, необходимо разрешить половину младшего значащего бита (LSB), или 0,95 пА.

Активная площадь фотодиода Hamamatsu составляет 5,7 мм ² и имеет круглую форму. В этом случае может потребоваться использование оптоволоконного кабеля между датчиком и источником света. Волоконно-оптический кабель может иметь площадь больше, чем наш фотодиод. Обычно оптическая мощность в этом случае измеряется в Вт/см2. Выражение площади фотодиода в см ² , результат 57 × 10 ^–3 см ² . Для того же выходного тока 25 пА от источника света, измеренного в Вт/см ² , необходимая мощность будет такой, как показано в:

Шумовые характеристики кремниевого фотодиода определяют нижний предел обнаружения света. Глядя на эквивалентную схему фотодиода на Рисунке 1, можно увидеть три источника шума, которые захвачены:

Шум диода — это тепловой шум, создаваемый шунтирующим сопротивлением диода.

Шаг 3: Расчет блока усиления

Предварительный усилитель выделяет слабый сигнал, генерируемый датчиком, в присутствии более сильного фонового шума. Существует два типа предусилителей для фотопроводников: режим напряжения и трансимпедансный (рис. 2).

Предусилитель — это первый шаг в выделении слабого сигнала, генерируемого датчиком, из фонового шума. Существует три возможных конфигурации подключения фотодиода к трансимпедансному усилителю. Конфигурация трансимпедансного усилителя на рис. 2c обеспечивает прецизионное линейное считывание от фотодиода за счет «нулевого смещения». В этой конфигурации фотодиод обнаруживает короткое замыкание на своем выходе, и по существу отсутствует «темновой» ток согласно уравнению 3 (I _SC = I _{светлый} ).

Идеальное соотношение (коэффициент усиления) между выходным напряжением и входным током I/V (трансимпедансного) преобразователя можно выразить следующим образом:

Используемое значение резистора обратной связи определяет усиление (иногда называемое чувствительностью) преобразователя. Чтобы коэффициент усиления тока к напряжению был очень высоким, R _f делают настолько большим, насколько позволяют другие ограничения. Разработчик должен выбрать резистор достаточно большой, чтобы минимальный ток, вытекающий из датчика, был в достаточной степени измерим, не позволяя максимальному току насыщать усилитель.

При более высоких значениях сопротивления этот резистор также начинает проявлять значительный тепловой дрейф постоянного напряжения, что отражается на температурном коэффициенте входного тока усилителя. Чтобы компенсировать эту ошибку, равное сопротивление обычно подключается последовательно с неинвертирующим входом усилителя и емкостно зашунтировано, чтобы удалить большую часть его шума. Чтобы максимизировать отношение сигнал/шум, следует избегать многоступенчатого усиления.

По мере увеличения номиналов резисторов их допуски и температурные характеристики резко снижаются. Например, легко найти резистор на 1 кОм с допуском 0,01%, но очень сложно и дорого найти резистор на 10 МОм с таким же допуском.

Чтобы решить эту проблему, используйте резисторы с низким значением последовательно, чтобы создать большее значение сопротивления, используйте резисторы с низким значением в сочетании с многоступенчатым усилением или используйте схемы «Т-образной сети». К сожалению, уравновешивая эти преимущества, использование больших резисторов обратной связи приводит к ошибкам и возможным проблемам с нестабильностью. Они рассматриваются далее в статье.

Между тем, в этом примере конструкции используется резистор очень большого номинала: R _f = 80 МОм. Это должно преобразовать наши минимальные и максимальные токи фотодиода в более измеримые выходные напряжения, как в:

<img src=’https://www.analog.com //media/analog/en/landing-pages/technical-articles/seven-steps-to-successful-ultralow-light-signal-conversion/figure2.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 2’&amp ;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;gt;

Рис. 2. Фотодиод, подключенный к трансимпедансному усилителю

Шаг 4. Определите оптимальный усилитель для предусилительного каскада

Когда фотодиод подвергается воздействию света и используется схема, показанная на рисунке 2с, ток будет течь в инвертирующий узел операционного усилителя, как показано на рисунке 3. Теоретическая ситуация короткого замыкания на фотодиоде возникает, когда нагрузка его видит (R _L ) равно 0 Ом и V _OUT = 0 В. В действительности ни одно из этих условий не существует в абсолютном смысле. R _L равно R _f /A _{open_loop_Gain} , а V _OUT — это виртуальная земля, применяемая конфигурацией обратной связи усилителя.

<img src=’https://www.analog.com/-/media /analog/ru/landing-pages/technical-articles/семь шагов к успешному преобразованию сигнала сверхнизкой освещенности/figure3.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 3’& ;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;gt;

Рис. 3. Фотодиод в ситуации короткого замыкания

При подаче напряжения на короткозамкнутый фотодиод в отсутствие света генерируется так называемый «темновой ток». Следовательно, усилитель должен иметь очень большой коэффициент усиления без обратной связи, и разработчик должен создать наилучшую возможную «виртуальную землю». Это означает очень небольшую ошибку между входами усилителя. Отклонение от 0 В на R _фото создает ток ошибки, вызванный неидеальностью усилителя. Эти источники ошибок очевидны в:

Для этого требуется усилитель, который вносит наименьшее количество этих ошибок. Другими словами, разработчик должен выбрать усилитель, выход которого имеет погрешность не более 2 мВ при конфигурации обратной связи R _f = 80 МОм. Также необходимо обеспечить, чтобы время нарастания и спада усилителя было меньше времени нарастания и спада возбуждающего лазерного диода.

Несколько других параметров усилителя, повышающих точность в этой конструкции, которые не отражены в уравнении 9:

• Малый дрейф напряжения смещения в зависимости от температуры
• Низкий дрейф входного тока смещения в зависимости от температуры
• Высокое входное сопротивление
• Низкая входная емкость
• Низкая плотность шума входного тока
• Широкая полоса пропускания

Цена, размер упаковки и потребляемая мощность являются второстепенными факторами при выборе подходящего усилителя.

Практическое соотношение между выходным напряжением и входным током преобразователя I/V, как указано, представляет собой усиление преобразователя, определяемое как:

Как видно, в уравнении V _O есть погрешность, которую необходимо максимально уменьшить. При выборе усилителя, который имеет, например, очень большое значение a _O , член aοβ увеличивается, а 1/αοβ уменьшается. Это уменьшит погрешность.

В этом примере мы выбираем AD8627, прецизионный операционный усилитель с очень низким уровнем шума, малым током смещения и широкой полосой пропускания, который может работать при ±12 В. Технические характеристики AD8627: I _B = 1 пА, f _t = 5 МГц, e _n = 16 нВ/√Гц при f = 1 кГц, C _com = 3,8 пФ и C _diff = 4,1 пФ. У производителей интегральных схем есть онлайн-инструменты поиска и выбора, помогающие выбрать детали в соответствии с требованиями пользователя. В таблице 2 перечислены еще несколько усилителей, подходящих для фотоэлектрических датчиков света.

ШАГ 5: Получите блок

Когда фотодиод подключен к усилителю в конфигурации на рисунке 2c, усилитель очень часто колеблется. Как уже отмечалось, большой резистор в обратной связи усилителя может привести к ненормальному поведению и колебаниям. Разработчик должен убедиться, что усилитель выбран правильно и что его работа в сочетании с датчиком стабильна.

Характеристики схемы с точки зрения отклика или полосы пропускания, пиков или выброса, шума или отношения сигнал/шум могут стать очень сложными, нелинейными и сильно зависеть от взаимодействия между активными и пассивными элементами в схеме преобразователя. Для получения более реалистичного и практичного анализа можно использовать альтернативную схемную модель (рис. 4). Принимая во внимание все неидеальности этого решения, рис. 4 позволяет разработчику выполнять моделирование, использовать анализ полюсов/нулей и избегать проблем, которые могут возникнуть в будущем.

<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles /семь шагов к успешному преобразованию сигнала сверхнизкой освещенности/figure4. png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 4’>

Рис. 4. Альтернативная модель схемы может быть полезна при анализе схемы на рис. 2с

Взаимодействие между большим резистором обратной связи и входной емкостью вводит ноль в анализ стабильности полюса/нуля. Если С _{, фотография} , достаточно велико, фазовый сдвиг замкнутого контура будет приближаться к −180° на частоте кроссовера, где усиление трансимпеданса без обратной связи пересекает функцию шумового усиления (рис. 5).

<img src=’https://www.analog.com/-/media /analog/ru/landing-pages/technical-articles/семь шагов к успешному преобразованию сигнала сверхнизкой освещенности/figure5.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 5’& ;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;gt;

Рисунок 5. Анализ стабильности иллюстрирует взаимодействие между большим резистором обратной связи и входной емкостью

Для обеспечения запаса по фазе 45° и стабильности необходим небольшой конденсатор параллельно R _f в обратной связи. Значение этого конденсатора связано с входной емкостью на входе усилителя. Усилитель с очень малой входной емкостью уменьшает значение C _f . Когда в схеме используется меньший C _f , большая полоса пропускания усилителя будет использоваться для имеющегося приложения.

Полоса пропускания и чувствительность напрямую компенсируются друг другом посредством выбора R _f . Пример фотодиода с C _photo = 20 пФ и R _f = 80 МОм будет иметь максимальную полосу пропускания 1 кГц, когда конденсатор обратной связи (C _f = 2 пФ) подключен параллельно R _f .

В качестве альтернативы, если бы требовалась полоса пропускания 10 кГц, то разработчик мог бы выбрать максимальное значение R _f = 8 МОм, а емкость C _f все еще может быть 2 пФ. Эта концепция может быть полезна при проектировании программируемой полосы пропускания для обработки различных входных сигналов, например, с частотой 1 кГц и 10 кГц.

Разработчик должен выполнить анализ полосы пропускания и шума, чтобы убедиться, что выбранный усилитель соответствует проекту. Важность выбора AD8627 из-за его низкой входной емкости и полосы пропускания можно понять, выведя:

Видно, что при выборе фотодиода большой площади, где C _фото имеет высокое значение, f _x намного меньше (т. е. более низкая пропускная способность). Одним из возможных способов решения этой проблемы является выбор усилителя с очень широкой полосой пропускания (f _t ). Однако это приводит к другим проблемам, например, большему количеству шума.

Усилитель, в данном случае AD8627, должен иметь очень низкий уровень шума по напряжению, чтобы обеспечить низкий общий уровень шума в фотодиодных трансимпедансных усилителях большой площади. Это необходимо, потому что усиление шума трансимпедансной схемы, которое относится к шуму напряжения и шуму резистора, но не к шуму тока, резко возрастает с частотой (усиление шума = 1 + Z _f /X _c ). Это показано в уравнении 12, где вычисляется общий шум выше 0,01 Гц для преобразователя I/V в сочетании с фотодиодом:

Предположим, что AD8627 (I _B = 1 пА, f _t = 5 МГц, e _n = 16 нВ/√Гц при f = 1 кГц, C _com = 3,8 пФ, C _{90 0 = 4,1 пФ) используется вместе с фотодиодом Hamamatsu (R , фото = 2 ГОм, C , фото = 20 пФ). Кроме того, R f = 80 МОм, C обратная связь = C rf + C f = 2 пФ. Исходя из приведенной выше информации, входная емкость C в = C photo + C com + C diff = 20 пФ + 3,8 пФ + 4,1 пФ = 28 пФ.}

В шумовом усилении цепи I/V преобладают e _n , тогда как шумовое усиление для i _n и i _R совпадает с усилением сигнала (рис. 6). Доминирующими шумами являются e _noe вблизи f _{x 9.0209 и тепловой шум e noR вблизи f p .}

<img src=’https://www.analog.com/- /media/analog/en/landing-pages/technical-articles/семь шагов к успешному преобразованию сигнала сверхнизкой освещенности/figure6.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 6’& ;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;gt;

Рис. 6. На основе уравнения 12, en доминирует в усилении шума схемы трансимпеданса; усиление шума для i _n и i _R Совпадают с усилением сигнала

Токовый шум практически незначителен, поскольку в конструкции используется входной усилитель на JFET.

Шаг 6: Моделирование

Производители фотодиодов не предоставляют модели Spice для своей продукции. Однако модели усилителей Spice доступны для загрузки с веб-сайта Analog Devices. Дизайнеры также могут загрузить бесплатную версию популярного программного обеспечения Spice для моделирования MultiSim™ от National Instruments с сайта Analog Devices.

Эта программная среда предоставляет трансимпедансную модель LabVIEW ^® для фотодиода, которая позволяет настраивать конкретный фотодиод, который использовался в этом примере конструкции (рис. 7a). Перед созданием каких-либо плат важно провести тщательное моделирование. Нестабильность может возникать из-за нуля, введенного в тракт усиления шума (рис. 7b).

Пользовательский интерфейс National Instruments MultiSim для модели Analog Devices примера трансимпедансного усилителя заполняется характеристиками фотодиода Hamamatsu для дальнейшего анализа (рис. 7a). Моделирование MultiSim иллюстрирует нестабильность, вызванную нулем, введенным в тракт усиления шума (рис. 7b). Изменение емкости резистора обратной связи влияет на используемую полосу пропускания (рис. 7c).

Как упоминалось ранее, этот ноль должен быть отменен путем введения полюса путем размещения конденсатора емкостью 2 пФ на резисторе обратной связи. Емкость обратной связи 2 пФ является теоретической величиной. Можно проанализировать влияние различных значений на полезную полосу пропускания разработанной схемы (рис. 7c). Также можно проверить полосу пропускания цепи, отслеживая выходной сигнал, который имеет полосу пропускания -3 дБ при 1 кГц.

<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog /en/landing-pages/technical-articles/seven-steps-to-successful-ultralow-light-signal-conversion/figure7.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 7’&amp ;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;gt;

Рис. 7. Анализ шумовой схемы фотодиодной схемы

Шаг 7. Проверка оборудования

Цепи обнаружения сверхнизкой освещенности требуют дисциплины и применения передовой практики по уменьшению всех источников шума, включая электромагнитный шум из окружающей среды и все источники утечки, в дополнение к использованию очень чистых источников питания. Батареи можно использовать для приложений с низким напряжением, но для них потребуются хорошо зашунтированные источники питания с использованием RC- или LC-фильтра.

Другие факторы, имеющие решающее значение для успеха, включают печатную плату, изготовленную из материалов с высоким сопротивлением изоляции. Чтобы предотвратить попадание утечки в измерительную схему, необходимо использовать защитные кольца или стойки из тефлона ^® для антенной проводки контактов фотодиода к входным клеммам операционного усилителя. То же самое верно для резистора обратной связи и конденсатора.

Экранированные кабели и металлическая экранированная коробка для цепи обеспечивают надежную защиту от электромагнитных помех (ЭМП). В сложных случаях дизайнер может использовать оптическое волокно между источником света и фотодиодом.

В Analog Devices мы разработали этот пример схемы для диапазона от 25 пА до 125 нА. Любой сигнал за пределами этого диапазона будет насыщать усилитель и влиять на общую производительность. Если требуется более широкий диапазон, переключатель с малой утечкой может быть включен последовательно с резистором обратной связи.